最初对天文测量的辩论正处于演变成一场全面危机的边缘，这场危机将影响我们理解宇宙的方式。两组数据集——一组来自近 140 亿年前的新生宇宙，另一组来自我们今天看到的恒星——对于一个看似简单的问题给出了矛盾的答案：宇宙的膨胀速度有多快？
答案之间的差距仅为 9%，但这远远超过了每组数据集估计的不确定性。差距双方的研究人员称之为“张力”，并坚持各自观测的有效性。这种张力是科学梦想——和噩梦的素材。它暗示在某个地方，以某种方式，我们对自然规律的理解可能存在根本性的缺陷——对物理学，甚至可能对万物的命运产生深远的影响。
约翰·霍普金斯大学和太空望远镜科学研究所的天体物理学家亚当·里斯说：“如果这种张力不是侥幸，也不是测量错误，那就意味着我们的模型中遗漏了一些东西。” “对早期宇宙进行测量，然后将其与今天的宇宙进行比较，是对我们构建的关于宇宙的整个故事的端到端测试。问题是，如果有什么东西肯定不符合，我们不知道故事究竟在哪里分歧。”
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宇宙膨胀率问题的答案被称为哈勃常数，以天文学家埃德温·哈勃的名字命名，他在 1920 年代发现宇宙正在膨胀。星系以与其距离成正比的速度远离我们，距离越远速度越快。哈勃常数编纂了宇宙距离和速度之间的这种关系。但这样做揭示了更多，使其不仅引起天文学家的兴趣，也引起宇宙学家和物理学家的兴趣。因为该常数代表了宇宙漫长历史中任何特定时刻的膨胀率，所以随着时间的推移测量其值可以提供宇宙如何在漫长岁月中演化的广阔视野，为研究人员提供有关我们宇宙起源和未来的关键线索。仿佛受到虚空的召唤，数十亿个向外奔涌的星系也感受到了后视镜中一切事物的集体引力，试图将它们拉回来。哈勃常数反映了宇宙中所有物质的总和以及作用于它的力——权衡引力或虚空是否将最终赢得这场星系际拔河比赛。
宇宙的内容物最终可能会逆转膨胀——这种情况被称为“大坍缩”，其中引力将一切拉回到一个无限热和稠密的点，就像诞生大爆炸的点一样。或者宇宙可能会稳定地无限膨胀，在“大冻结”中变得越来越冷和无精打采，大冻结提供无限的空间和时间——但最终几乎无事可做。或者，宇宙膨胀可能会急剧加速，变得如此难以驾驭，以至于摆脱了所有的约束。这种加速膨胀的宇宙可能会撕裂星系，然后是恒星，然后是行星、原子和亚原子粒子，直到现实本身的结构在“大撕裂”中裂开，几乎不留下任何东西。宇宙会以火、冰还是空虚结束？哈勃常数知道答案——但在张力解决之前，答案尚不清楚。
哈勃太空望远镜拍摄的造父变星 RS Puppis 的图像。天文学家使用造父变星和超新星来测量宇宙的膨胀率。图片来源：NASA、ESA 和哈勃遗产团队
超新星观测
芝加哥大学的天体物理学家温迪·弗里德曼说：“这是最重要的宇宙学参数。”她一生都在追求哈勃常数。“它是锚，因为它对最大数量的事物产生最大的影响。这是一项真正重要的测量。” 在 1990 年代和 2000 年代初期，弗里德曼领导一个团队使用哈勃太空望远镜提供了当时常数的最佳测量结果。此后其他人一直在改进它们。
在过去的十年中，里斯一直处于这项努力的最前沿，领导一个天文学家团队，他们正在使用地面和太空望远镜进一步改进哈勃常数的估计，在一个名为“SH0ES”（别问为什么）的项目中。
SH0ES 的首选目标是称为 Ia 型超新星的爆炸恒星。这些爆炸恒星在整个宇宙中以几乎相同的光度闪烁，使它们成为衡量其他星系距离的理想“标准烛光”。通过了解 Ia 型超新星的实际亮度与其在望远镜中显示的亮度相比，科学家可以计算出地球与遥远的恒星灾难之间有多少空间。他们还可以测量每个超新星的红移——超新星和地球之间空间膨胀拉伸超新星光线到更长、更红波长的方式。然后，他们通过比较散布在宇宙各处的许多超新星的红移和亮度来估计膨胀率。然而，为了校准他们的超新星测量，SH0ES 团队还使用了另一种标准烛光：造父变星，它根据其光度周期性地脉动，并在银河系附近提供卓越的距离测量。
超新星和造父变星数据的配对使 SH0ES 团队能够获得越来越精确的哈勃常数估计值，将测量的误差幅度从 2009 年的 5% 降低到 2016 年的仅 2.4%。他们的最新成果，使用来自欧洲航天局 (ESA) Gaia 航天器的新的和改进的造父变星距离数据进行校准，将不确定性降低至 2.2%。多年来，SH0ES 团队对哈勃常数的计算结果一直非常一致：根据超新星和造父变星，宇宙的膨胀速度为每百万秒差距 73.5 公里/秒（约 330 万光年）。也就是说，对于我们与另一个星系之间每 330 万光年的空间，后者将以每秒 73.5 公里的速度更快地远离我们。
张力来自另一个 ESA 航天器——普朗克进行的独立测量。从 2009 年到 2013 年，普朗克创建了宇宙微波背景 (CMB) 的空前详细的地图，这是宇宙只有 38 万年历史时大爆炸原始火球的余辉。普朗克团队首先对应该在充满早期宇宙的带电粒子汤中荡漾的声音波的大小和运动进行建模，从而从那个逝去的时代推导出哈勃常数。接下来，他们将这些估计值与印在 CMB 上的实际回波进行了比较。这种比较提供了 CMB 的距离及其特征的标量尺寸，使普朗克团队能够将原始宇宙的膨胀率定为每百万秒差距 67.3 公里/秒。该估计值及其仅为 1% 的显著误差幅度，关键取决于成熟的“宇宙学标准模型”——一种笨拙的理论结构，它有力地预测了 CMB 和当代宇宙的许多观测到的特征。
里斯说：“这就像儿科医生测量和计算出您的孩子最终会长到六英尺高，但您的孩子最终长到了六英尺半。” “这意味着还有其他事情正在发生——也许您的孩子经历了猛长或注射了激素。在这种情况下，是我们最好的宇宙学模型的物理学提供了生长图表。但是，谁说我们实际上是对的呢？”
里斯说，现在通过了盖亚的造父变星距离测量的又一次测试，SH0ES 哈勃常数测量结果是统计侥幸的几率仅为七千分之一。物理学家通常认为当测量结果达到百万分之一统计可能性范围时具有显著意义；目前，SH0ES 的结果仍然达不到那个崇高的标准，但正在越来越接近。与此同时，普朗克团队也没有退让；团队成员一直表示，其结果的有效性实际上是不可动摇的。
普朗克航天器绘制的宇宙微波背景 (CMB) 变化的全天图，这是宇宙中最古老的可观测光。从普朗克数据推导出的宇宙膨胀率估计值与来自超新星和其他来源的估计值相冲突。图片来源：ESA 和普朗克合作组织
超越标准模型
这并非宇宙膨胀第一次让科学家感到困惑。在 1920 年代，膨胀本身让大多数研究人员感到震惊，尤其是阿尔伯特·爱因斯坦。与他偏爱的静态宇宙相反，爱因斯坦的广义相对论预测宇宙将不可避免地膨胀或坍缩。为了“解决”这个问题，他在他的计算中添加了一个新项：一种弥漫在所有空间中的反重力，可以起到维持宇宙平衡的作用。爱因斯坦最初将其称为“宇宙学常数”——但后来据称在哈勃发现之后称其为他的“最大错误”。爱因斯坦最初的直觉显然在 1990 年代开始得到证实，当时里斯和其他天文学家发现遥远的 Ia 型超新星比预期更暗（因此更远）。一种神秘的“暗能量”似乎正在导致宇宙的膨胀加速；许多物理学家推测，暗能量和宇宙学常数可能是一回事。来自 CMB 和其他来源的测量迅速证实了暗能量的存在（如果不是其确切性质），导致里斯和其他两人获得了 2011 年诺贝尔物理学奖。
由于它的影响将均匀分布在整个空间中，随着空间本身的膨胀，宇宙学常数将变得更加强大，加速加速率以产生大冻结或大撕裂作为宇宙的最终命运。但似乎这种提升仍然无法达到 SH0ES 团队和其他团队今天在宇宙中观察到的哈勃常数。因此，里斯推测，目前的张力可能是由于暗能量根本不是爱因斯坦的宇宙学常数造成的（尽管他赶紧补充说，这种情景没有得到 CMB 和现在之间银河系中期观测的有力支持）。如果暗能量不是爱因斯坦的宇宙学常数，它可能会潜在地推动更快的加速，从而缓解张力。从理论上讲，这种非标准形式的暗能量也可能在未来深刻地削弱甚至逆转其影响，从而为宇宙仍然可能经历大坍缩的可能性敞开大门。
对于张力还存在其他推测性的解释，每一种解释都是研究人员必须遵循的迷宫中的另一条路径，以决定宇宙的最终命运。它们包括尚未发现的快速移动的亚原子粒子种类、隐藏的“额外”维度的影响，或与暗物质的各种相互作用——仅举几例。可能是超出标准模型的多种类型的物理学在宇宙两端哈勃常数估计值之间明显的张力中发挥作用。
误差阴谋？
再说一遍，一些怀疑论者说，最可能的解释仅仅是在测量中犯了错误。特别是，普朗克团队的官方说法一直是，校准造父变星和 Ia 型超新星的误差可能是造成张力的原因。
加州大学戴维斯分校的普朗克团队成员劳埃德·诺克斯说：“我们不知道答案是什么，但实际上没有任何理论解释让我们觉得非常合理。” “仅代表我自己而言，如果我必须在任何事情上下注，我仍然会猜测张力是直接测量哈勃常数[在现代宇宙中]的系统误差。” 例如，诺克斯说，遥远星系中背景恒星的眩光会污染造父变星的亮度测量，破坏天文学家摇摇欲坠的宇宙距离阶梯的底部，并抛出更大距离的依赖性测量。相比之下，诺克斯和其他人指出，普朗克团队对哈勃常数的推导与多条极其可靠的独立证据线相符——例如星系的大规模聚集以及大爆炸后最初几分钟内产生的光元素的观测比率。诺克斯说，普朗克的结果最近也通过使用南极望远镜进行的后续 CMB 研究得到了验证。
里斯认为，SH0ES 和其他团队一次又一次进行的测试表明，背景恒星不是造父变星测量中误差的重要来源。此外，SH0ES 的结果带有其自身的大量佐证数据：与超新星和造父变星分开，今天宇宙中哈勃常数的其他测量值也接近 SH0ES 发现的 73.5。2017 年，一个名为 H0LiCOW（再次，别问为什么）的国际团队将哈勃常数定为每百万秒差距 72 公里/秒。他们通过测量来自遥远星系的光线的延迟到达时间来实现这一点，因为光线的各种空间路径被更靠近地球的巨大星系扭曲。
这张蒙太奇照片显示了来自五个背景星系的光线被更靠近地球的巨大前景星系扭曲。这种扭曲导致背景星系显示为多个图像。H0LiCOW 合作组织的科学家研究了这些物体，以独立测量宇宙的膨胀，这与早期基于超新星和造父变星的估计值一致。图片来源：NASA、ESA、哈勃和 Suyu 等
加州大学洛杉矶分校的天体物理学家、H0LiCOW 团队成员托马索·特鲁说，该结果完全基于基本的几何学和爱因斯坦的广义相对论——因此完全独立于可能玷污 SH0ES 或普朗克测量的因素。“结合 SH0ES 的结果，这增加了张力的证据，”特鲁说。
综合来看，里斯认为支持他的结果的证据几乎是压倒性的。他说，如果它是错误的，就需要“误差阴谋——多个误差，每种方法一个误差，它们是独立的，但由于某种恶意，所有误差的大小都相同，方向也相同。正如爱因斯坦所说，‘上帝是微妙的，但他不是恶意的。’”
普林斯顿大学和平铁研究所的天体物理学家大卫·斯珀格尔认为，现在是双方团队承认他们数据中的不确定性可能比以前认为的更大的时候了。“从历史上看，天文学家和宇宙学家都低估了他们的误差；我认为这里的测量也是如此，”他说。
解决方案可能即将到来。斯珀格尔是 NASA 的广域红外巡天望远镜 (WFIRST) 的首席科学家之一，该太空天文台计划于 2020 年代发射，其主要目标是研究暗能量。ESA 正在计划一项类似的任务 Euclid，它将补充 WFIRST 的研究。这些任务可以通过阐明暗能量的行为是否像爱因斯坦的宇宙学常数，或者是否是完全不同的东西，来帮助解决张力。NASA 的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划最早于 2020 年发射，也可能提供大量新的观测结果来约束常数，2020 年及以后发布的盖亚数据也将如此。大约在同一时间，其他新技术也可能成熟。这些技术将依赖于先前无法访问的恒星种群的调查，甚至依赖于对大量碰撞中子星的引力波的观测，以获得哈勃常数的其他独立测量值。
然而，目前，张力依然存在——它是我们对宇宙理解加速有多快以及我们还有多远路要走的形象和字面象征。